finale Version des Vorlesungsskripts - ZIB
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9.3 Das Simplexverfahren Wir führen Schlupfvariablen ein und erhalten das folgende zulässige Anfangstableau. 1 1 −1 0 0 0 0 T0 : 4 4 −2 0 1 0 0 3 s = 1 5 2 0 1 0 1 0 4 r = 1 6 1 3 −2 0 0 1 6 0 5 3 −1 − 1 3 0 0 −1 T1 : 1 1 − 2 3 0 1 3 0 0 1 s = 2 5 0 4 3 1 − 2 3 1 0 2 r = 3 6 0 5 −2 − 1 3 0 1 5 0 0 − 1 11 T2 : 1 1 0 − 4 11 5 0 0 19 11 2 0 1 − 6 11 6 − 33 0 − 5 11 9 2 33 0 11 − 18 33 1 − 4 11 1 3 − 11 0 11 36 − 11 Als Optimallösung ergibt sich somit: x1 = 21 11 , x2 = 15 11 , x3 = 0, mit cT x = 36 11 21 11 2 11 15 11 . △ Über die Grundversion der Simplexmethode können wir die folgende Aussage machen. (9.24) Satz. Sei (9.1) ein lineares Programm, so dass P = (A, b) = ∅ und alle zulässigen Basislösungen nicht entartet sind. Dann findet die Grundversion des Simplexalgorithmus (d. h. alle Schritte, bei denen eine nicht spezifizierte Auswahl besteht, werden in irgendeiner beliebigen Form ausgeführt) nach endlich vielen Schritten eine optimale Lösung oder stellt fest, dass das Problem unbeschränkt ist. △ Beweis. Bei jedem Durchlauf des Simplexalgorithmus wird eine neue Basis erzeugt. Da jede Basislösung nicht entartet ist, hat die neue Basislösung nach (9.16)(c) einen strikt besseren Zielfunktionswert. Ist AB1 , . . . , ABi , . . . die Folge der mit dem Simplexalgorithmus generierten Basen, dann folgt daraus, dass keine Basis mehrfach in dieser Folge auftreten kann. Da die Anzahl der verschiedenen Basen von A endlich ist, ist die Folge der Basen endlich. Ist ABk die letzte erzeugte Basis, so ist sie entweder optimal oder in Schritt (II.3) wurde Unbeschränktheit festgestellt. ✷ Besitzt (9.1) degenerierte Ecken, so kann es sein, dass die Grundversion des Simplexverfahrens irgendwann einmal nur noch zulässige Basen erzeugt, die alle zu derselben Ecke gehören und bei der die gleichen Matrizen A immer wiederkehren. Man sagt, das Verfahren kreist oder kreiselt. In der Tat sind Beispiele konstruiert worden, bei denen dieses Phänomen auftreten kann, siehe (9.25). 179
9 Die Grundversion des Simplex-Algorithmus (9.25) Beispiel (Kreiseln). Gegeben sei das folgende LP: max 4 5x1 − 18x2 − x3 − x4 16 5 x1 − 84x2 − 12x3 + 8x4 ≤ 0 1 5x1 − 5x2 − 2 3x3 + 1 3x4 ≤ 0 x1 ≤ 1 x1, x2, x3, x4 ≥ 0 Das verkürzte Tableau zur Anfangsbasis B = (5, 6, 7) der Schlupfvariablen lautet: 1 2 3 4 4 5 −18 −1 −1 0 16 5 −84 −12 8 0 5 1 5 −5 − 2 3 1 3 0 6 1 0 0 0 1 7 Wir führen nun den Simplexalgorithmus aus. Die Pivotelemente sind in den Tableaus gekennzeichnet. 180 5 2 3 4 5 6 3 4 − 1 4 3 2 −3 0 1 2 −12 1 −1 0 5 16 − 1 16 − 5 16 − 105 4 1 4 105 4 − 15 4 1 12 15 4 5 2 0 1 − 25 4 105 5 −15 0 1 − 1 6 0 6 − 1 1 4 4 3 − 5 2 1 7 − 2 3 0 2 25 4 −105 −5 15 1 7 5 6 1 4 5 6 1 2 7 4 −33 − 1 3 1 5 2 0 4 −15 5 −6 0 − 5 4 21 1 5 −3 0 3 1 6 −3 − 1 15 1 3 0 2 1 4 −6 − 2 5 9 0 3 1 2 −9 − 1 5 3 0 4 0 0 1 0 1 7 0 0 1 0 1 7 3 6 1 2 3 4 1 2 −3 3 7 5 −33 0 −1 −1 4 5 −18 0 4 −24 − 8 5 36 0 5 −12 8 16 5 −84 0 5 −2 3 3 5 −15 0 4 − 2 3 1 3 1 5 −5 0 6 0 0 1 0 1 7 0 0 1 0 1 7
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9 Die Grundversion <strong>des</strong> Simplex-Algorithmus<br />
(9.25) Beispiel (Kreiseln). Gegeben sei das folgende LP:<br />
max 4<br />
5x1 − 18x2 − x3 − x4<br />
16<br />
5 x1 − 84x2 − 12x3 + 8x4 ≤ 0<br />
1<br />
5x1 − 5x2 − 2<br />
3x3 + 1<br />
3x4 ≤ 0<br />
x1 ≤ 1<br />
x1, x2, x3, x4 ≥ 0<br />
Das verkürzte Tableau zur Anfangsbasis B = (5, 6, 7) der Schlupfvariablen lautet:<br />
1 2 3 4<br />
4<br />
5 −18 −1 −1 0<br />
16<br />
5 −84 −12 8 0 5<br />
1<br />
5 −5 − 2<br />
3<br />
1<br />
3 0 6<br />
1 0 0 0 1 7<br />
Wir führen nun den Simplexalgorithmus aus. Die Pivotelemente sind in den Tableaus<br />
gekennzeichnet.<br />
180<br />
5 2 3 4 5 6 3 4<br />
− 1<br />
4 3 2 −3 0 1<br />
2 −12 1 −1 0<br />
5<br />
16<br />
− 1<br />
16<br />
− 5<br />
16<br />
− 105<br />
4<br />
1<br />
4<br />
105<br />
4<br />
− 15<br />
4<br />
1<br />
12<br />
15<br />
4<br />
5<br />
2 0 1 − 25<br />
4 105 5 −15 0 1<br />
− 1<br />
6 0 6 − 1<br />
1<br />
4 4 3<br />
− 5<br />
2 1 7<br />
− 2<br />
3 0 2<br />
25<br />
4 −105 −5 15 1 7<br />
5 6 1 4 5 6 1 2<br />
7<br />
4 −33 − 1<br />
3<br />
1<br />
5 2 0 4 −15 5 −6 0<br />
− 5<br />
4 21 1<br />
5 −3 0 3<br />
1<br />
6 −3 − 1<br />
15<br />
1<br />
3 0 2<br />
1<br />
4 −6 − 2<br />
5 9 0 3<br />
1<br />
2 −9 − 1<br />
5 3 0 4<br />
0 0 1 0 1 7 0 0 1 0 1 7<br />
3 6 1 2 3 4 1 2<br />
−3 3 7<br />
5 −33 0 −1 −1 4<br />
5 −18 0<br />
4 −24 − 8<br />
5 36 0 5 −12 8 16<br />
5 −84 0 5<br />
−2 3 3<br />
5 −15 0 4 − 2<br />
3<br />
1<br />
3<br />
1<br />
5 −5 0 6<br />
0 0 1 0 1 7 0 0 1 0 1 7