《運籌學(第二版)》是在第一版的基礎上修訂完善而成的,第二版盡力保持了原版的特點,進一步完善了主要內(nèi)容,提高了本書的可讀性,擴大了適用范圍。
《運籌學(第二版)》系統(tǒng)地介紹了運籌學的基本內(nèi)容,重點講解了線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、多目標規(guī)劃、圖與網(wǎng)絡優(yōu)化、網(wǎng)絡計劃技術、運輸問題和排隊論等方法。本書以培養(yǎng)學生運用運籌學方法解決管理決策問題的能力為目標,在掌握運籌學基本理論素養(yǎng)的基礎上,重點培養(yǎng)學生的運籌學建模能力和軟件求解能力。
《運籌學(第二版)》適合作為普通本科院校經(jīng)濟管理類專業(yè)本科生或高等職業(yè)院校本?粕滩,也可以作為相關學科研究生以及企業(yè)決策咨詢部門和數(shù)據(jù)分析部門管理人員的參考書。
作者集成十幾年運籌學教學經(jīng)驗和教學素材,編寫了《運籌學(第二版)》,《運籌學(第二版)》具有以下特點。
(1) 在內(nèi)容的選擇上突出管理學科的特點,去掉了管理學科使用較少的非線性規(guī)劃、與博弈論重復較多的對策論、在決策理論中要講的決策分析以及物流管理中的庫存論等內(nèi)容。既避免了課程內(nèi)容的重復,也適應了應用型人才培養(yǎng)中減少理論課時的趨勢。
(2) 在教材結(jié)構(gòu)的安排上,更加注重各章節(jié)的銜接,把運輸問題放在圖與網(wǎng)絡優(yōu)化之后,可以利用*小樹的理論說明回路的*存在性。很多學校不講對偶理論,因而在運輸問題、*小費用流等章節(jié)不再使用對偶理論推導。
(3) 在內(nèi)容的組織上沿著運用運籌學方法解決管理問題的過程,從問題入手,重點講解建立模型的方法,然后介紹*優(yōu)性條件和優(yōu)化算法,*后講解軟件求解模型和案例分析,有利于培養(yǎng)學生運用運籌學方法解決實際問題的能力。
(4) 在內(nèi)容的編寫上充分考慮普通省屬本科院校的現(xiàn)實,盡量減少高等數(shù)學的使用,用方程組消元法引入單純形算法、利用拍賣過程介紹*小費用流算法,把一些難理解的章節(jié)和定理證明省略,因為這些內(nèi)容在教學實踐中也很少用到。
(5) 把十幾年的教學實踐融入教材中,用自己的理解重新編寫了很多理論的推導過程,更容易讓學生接受。把教學中發(fā)現(xiàn)的學生容易出錯的地方用說明的方式加以注解,可以幫助學生減少錯誤。
本教材附錄中給出了LINGO和SciLab兩種軟件的使用說明,配套的電子課件、基于SciLab的教學軟件、實驗指導書和習題參考答案等資料存放在清華大學出版社網(wǎng)站,讀者也可以從山東財經(jīng)大學精品課程網(wǎng)站上下載。
第二版前言
運籌學教材出版以后在山東財經(jīng)大學和多所兄弟院校使用,大家的支持就是對作者最大的鼓勵,在此向所有采用本教材的老師和同學表示感謝!由于作者能力有限,教材存在一些錯誤和不足,給讀者帶來了不便和困擾,在此向大家表示歉意。
運籌學(第二版)是在原有教材的基礎上改編的,修改的主要內(nèi)容包括以下幾項:
(1) 修正了原有教材中發(fā)現(xiàn)的錯誤。
(2) 增加了對偶理論,作為選講內(nèi)容放在了第二章第八節(jié),可以滿足考研需要。
(3) 利用對偶理論給出了最小費用流和運輸問題位勢法的理論推導,作為延伸閱讀放在相關章節(jié)后面,可以幫助讀者更好地理解問題,也可以展示知識的關聯(lián)性。
(4) 把附錄三調(diào)整為正式內(nèi)容,把其放在第二章第五節(jié),可以在第二章第六節(jié)使用Excel規(guī)劃求解的敏感性報告。
(5) 對部分章節(jié)的敘述進行了改編,主要包括第五章第二節(jié)、第六章第一節(jié)、第八章第三節(jié)等內(nèi)容。
(6) 對部分圖標進行了完善,使其更加美觀。
限于作者的能力,第二版難免還會存在一些錯誤和不足,敬請讀者指正。
第二版寫作過程中得到了采用本教材的老師和同學們的幫助,第二版的出版得到了清華大學出版社的大力支持,在此向他們表示感謝!
第一版前言
運籌學在管理決策與工程設計中有廣泛的應用,是經(jīng)濟管理、數(shù)學、計算機與工科等學科學生的基礎課程或必修課。但各個學科對運籌學的要求不盡相同,數(shù)學學科的教學強調(diào)理論推導和算法思想,計算機學科的重點在于算法設計,管理與工程學科則是要運用運籌學方法解決實際問題,因而教學的重點在于運籌學模型的建立和求解。
作者從事運籌學教學13年,先后在教育部所屬重點大學的數(shù)學院、計算機學院和普通省屬院校的管理學院教授運籌學,對于它們的差異深有感觸。特別是對于普通省屬本科院校管理學科的學生,其數(shù)學基礎不牢靠,對于運籌學的理論推導掌握起來比較困難。因而很有必要從管理學科運籌學教學的特點出發(fā),編寫一本適合普通省屬本科院校管理學科學生使用的運籌學教材。
作者集成十幾年運籌學教學經(jīng)驗和教學素材,編寫了這本運籌學教材,本教材具有以下特點。
(1) 在內(nèi)容的選擇上突出管理學科的特點,去掉了管理學科使用較少的非線性規(guī)劃、與博弈論重復較多的對策論、在決策理論中要講的決策分析以及物流管理中的庫存論等內(nèi)容。既避免了課程內(nèi)容的重復,也適應了應用型人才培養(yǎng)中減少理論課時的趨勢。
(2) 在教材結(jié)構(gòu)的安排上,更加注重各章節(jié)的銜接,把運輸問題放在圖與網(wǎng)絡優(yōu)化之后,可以利用最小樹的理論說明回路的唯一存在性。很多學校不講對偶理論,因而在運輸問題、最小費用流等章節(jié)不再使用對偶理論推導。
(3) 在內(nèi)容的組織上沿著運用運籌學方法解決管理問題的過程,從問題入手,重點講解建立模型的方法,然后介紹最優(yōu)性條件和優(yōu)化算法,最后講解軟件求解模型和案例分析,有利于培養(yǎng)學生運用運籌學方法解決實際問題的能力。
(4) 在內(nèi)容的編寫上充分考慮普通省屬本科院校的現(xiàn)實,盡量減少高等數(shù)學的使用,用方程組消元法引入單純形算法、利用拍賣過程介紹最小費用流算法,把一些難理解的章節(jié)和定理證明省略,因為這些內(nèi)容在教學實踐中也很少用到。
(5) 把十幾年的教學實踐融入教材中,用自己的理解重新編寫了很多理論的推導過程,更容易讓學生接受。把教學中發(fā)現(xiàn)的學生容易出錯的地方用說明的方式加以注解,可以幫助學生減少錯誤。
全書共分9章,講授全書基本內(nèi)容需要51課時,為了方便讀者閱讀,下面的框圖給出了各章內(nèi)容的相關性。
本教材附錄中給出了LINGO和SciLab兩種軟件的使用說明,配套的電子課件、基于SciLab的教學軟件、實驗指導書和習題參考答案等資料存放在清華大學出版社網(wǎng)站,讀者也可以從山東財經(jīng)大學精品課程網(wǎng)站上下載。
本教材中的內(nèi)容是作者所學運籌學知識的再現(xiàn),作者從本科生、碩士研究生和博士研究生階段都是在山東大學運籌學專業(yè)學習的。飲水思源,非常感謝山東大學運籌學專業(yè)各位老師,他們不僅傳授給我知識,他們嚴謹負責的教風也深深影響著我。特別要感謝我的授業(yè)恩師劉家壯教授,跟隨導師學習10年讓我受益終生。在此向他們致以深深的敬意!
同時也要感謝我教過的所有學生,教學相長,在與你們互動的過程中我的教學經(jīng)驗得到積累、教學水平得到提升。
最后要感謝我的父母、妻子和兒子,家人的理解和支持讓我更加安貧樂教。
本教材是山東省精品課程——運籌學(2011BK127)的配套教材,本教材的編寫和出版得到了山東省高等教育質(zhì)量工程建設項目的資助。
限于作者的水平,不妥與錯誤之處在所難免,懇請廣大讀者批評指正。
第一章 緒論 1
第一節(jié) 運籌學概述 2
一、運籌學的概念 2
二、運籌學的發(fā)展 3
三、運籌學的特點 4
四、運籌學的學科地位 5
第二節(jié) 管理中的運籌學問題與模型 6
一、管理中的優(yōu)化問題 6
二、運籌學模型 8
第二章 線性規(guī)劃 11
第一節(jié) 線性規(guī)劃實例與模型 12
一、線性規(guī)劃實例 12
二、線性規(guī)劃模型 15
三、基本概念 16
四、模型轉(zhuǎn)換 16
第二節(jié) 可行區(qū)域與基本可行解 19
一、圖解法 19
二、可行域的幾何結(jié)構(gòu) 22
三、基可行解與基本定理 23
第三節(jié) 單純形算法 27
一、最優(yōu)性條件 27
二、迭代規(guī)則 28
三、算法步驟 29
四、單純形表 30
第四節(jié) 初始基可行解 33
一、輔助規(guī)劃 34
二、第一階段 34
三、第二階段 36
第五節(jié) 求解軟件 39
一、LINGO軟件 39
二、Excel的規(guī)劃求解 42
第六節(jié) 靈敏度分析 47
一、靈敏度分析的概念 47
二、價值向量的靈敏度分析 48
三、右端向量的靈敏度分析 50
四、Excel中的敏感性報告 52
第七節(jié) 應用案例分析——生產(chǎn)計劃
問題 52
一、問題描述 52
二、問題分析 53
三、線性規(guī)劃模型 54
四、模型計算 55
第八節(jié) 對偶理論* 56
一、對偶規(guī)劃 57
二、對偶理論 61
習題 65
第三章 整數(shù)規(guī)劃 71
第一節(jié) 整數(shù)規(guī)劃問題與模型 72
一、整數(shù)規(guī)劃問題 72
二、整數(shù)規(guī)劃模型 73
第二節(jié) 分支定界算法 75
一、算法的基本思想 75
二、關鍵技術 76
三、算法步驟 78
四、軟件求解方法 81
第三節(jié) 應用案例分析 82
一、背包問題 82
二、人力資源分配問題 84
習題 86
第四章 動態(tài)規(guī)劃 91
第一節(jié) 多階段決策問題 92
一、多階段決策問題實例 92
二、多階段決策問題 94
第二節(jié) 最優(yōu)化原理 95
一、最優(yōu)化原理 96
二、最短路問題 98
三、動態(tài)規(guī)劃遞推關系式 99
第三節(jié) 管理中的多階段決策問題 100
一、旅游售貨員問題 100
二、背包問題 105
習題 109
第五章 多目標規(guī)劃 111
第一節(jié) 多目標規(guī)劃模型 112
一、多目標規(guī)劃實例 112
二、一般模型 115
三、有效解 115
四、求解有效解的方法 117
第二節(jié) 目的規(guī)劃 121
一、硬約束和軟約束 122
二、偏差變量 122
三、優(yōu)先因子 123
四、目的規(guī)劃的求解 123
第三節(jié) 層次分析方法 125
一、層次分析方法的基本思想 125
二、判別矩陣 127
三、判別矩陣的一致性 128
四、特征根和特征向量的
近似求法 129
五、層次分析法的基本步驟 131
第四節(jié) 應用案例分析第三方物流
供應商選擇 134
一、確定評價指標 134
二、構(gòu)造判別矩陣并進行一致性檢驗 135
三、層次總排序 136
四、綜合評比結(jié)果 137
習題 138
第六章 圖與網(wǎng)絡優(yōu)化 141
第一節(jié) 圖的基本概念 142
一、圖與子圖 142
二、圖的表示方法 145
三、圖的連通性與割集 149
第二節(jié) 最小支撐樹 152
一、樹及其基本性質(zhì) 153
二、最小樹 154
第三節(jié) 最短有向路 159
一、最短有向路方程 160
二、求最短有向路的Dijkstral
算法 162
三、SciLab求解最短有向路 164
第四節(jié) 最大流 165
一、最大流最小割定理 165
二、最大流算法 168
三、SciLab求解最大流 173
第五節(jié) 最小費用流 174
一、最小費用流問題的數(shù)學規(guī)劃
模型 175
二、最小費用流問題的算法 175
三、SciLab求解最小費用流 181
習題 184
第七章 網(wǎng)絡計劃技術 187
第一節(jié) 網(wǎng)絡計劃圖 188
一、基本術語 188
二、箭線圖的繪制方法 188
三、節(jié)點圖 192
第二節(jié) 時間參數(shù)與關鍵路線 192
一、作業(yè)時間 193
二、節(jié)點時間 193
三、工序時間 195
四、關鍵路線 196
第三節(jié) 網(wǎng)絡計劃的優(yōu)化 197
一、數(shù)學規(guī)劃方法 198
二、圖上計算方法 199
習題 201
第八章 運輸問題 207
第一節(jié) 運輸問題的模型 208
一、運輸問題的數(shù)學模型 208
二、運輸問題數(shù)學模型的特點 209
第二節(jié) 表上作業(yè)法 210
一、表上作業(yè)法求解思路 210
二、初始可行方案 211
三、回路法 218
四、位勢法 221
第三節(jié) 擴展的運輸問題 225
一、產(chǎn)大于銷的運輸問題 225
二、產(chǎn)小于銷的運輸問題 226
三、轉(zhuǎn)運問題 227
第四節(jié) 應用案例分析 229
一、帶有約束的運輸問題 229
二、生產(chǎn)與存儲問題 232
習題 233
第九章 排隊論 237
第一節(jié) 隨機服務系統(tǒng)的基本概念 238
一、隨機服務系統(tǒng)的組成 238
二、排隊系統(tǒng)的描述符號 241
三、排隊系統(tǒng)的評價指標 242
第二節(jié) 排隊系統(tǒng)的概率分布和
隨機過程 243
一、排隊系統(tǒng)的概率分布 243
二、最簡單流 244
三、生滅過程 246
第三節(jié) 無限源的排隊系統(tǒng) 247
一、M/M/1/∞系統(tǒng) 247
二、M/M/1/N/系統(tǒng) 252
三、M/M/C/∞系統(tǒng) 255
第四節(jié) 應用案例分析——排隊論在
物流系統(tǒng)設計中的應用 258
一、問題的背景 258
二、模型的建立 259
三、天車隨機服務系統(tǒng)優(yōu)化設計 260
四、結(jié)束語 261
習題 261
附錄 265
附錄一 LINGO軟件的集合輸入方法 266
一、LINGO中的集 266
二、模型的數(shù)據(jù)部分和初始部分 267
三、模型輸入 269
四、運算符與常用函數(shù) 270
附錄二 SciLab軟件介紹 271
參考文獻 276
第二章 線性規(guī)劃
線性規(guī)劃是運籌學中最重要的分支,也是運籌學的基礎。線性規(guī)劃問題最早是蘇聯(lián)學者康托洛維奇(L.V. Kantorovich,1912—1986)于1939年提出的,但他的工作當時并未廣為人知。第二次世界大戰(zhàn)中,美國空軍的一個研究小組SCOOP(Scientific Computation Of Optimum Programs,最優(yōu)程序的科學計算)在研究戰(zhàn)時稀缺資源的最優(yōu)化分配問題時,提出了線性規(guī)劃問題。丹齊格(G.B.Dantzig)于1947年提出了求解線性規(guī)劃問題的單純形法,單純形法至今還是求解線性規(guī)劃最有效的方法之一。
本章將介紹線性規(guī)劃的模型和基本概念以及單純形法的基本原理、軟件求解方法及線性規(guī)劃在經(jīng)濟分析中的應用。
第一節(jié) 線性規(guī)劃實例與模型
運用線性規(guī)劃方法解決實際問題的前提是把實際問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學問題,也就是建立線性規(guī)劃模型,不同類型的問題建立線性規(guī)劃模型的方法不盡相同。下面通過具體實例學習建立線性規(guī)劃模型的方法。
一、線性規(guī)劃實例
線性規(guī)劃的應用領域十分廣泛,主要包括生產(chǎn)計劃、物資調(diào)運、資源優(yōu)化配置、物料配方和經(jīng)濟規(guī)劃等問題,在第一章(緒論)中介紹了生產(chǎn)計劃問題,下面介紹另外兩種決策問題。
例2-1 合理配料問題。
某飼料廠用玉米胚芽粕、大豆餅和酒糟等3種原料生產(chǎn)3種不同規(guī)格的飼料,由于3種原料的營養(yǎng)成分不同,因而不同規(guī)格的飼料對3種原料的比例有特殊要求,具體要求及產(chǎn)品價格、原料價格、原料數(shù)量見表2-1,試制訂總利潤最大的生產(chǎn)計劃。
表2-1 工廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)
規(guī)格要求 產(chǎn)品Q1 產(chǎn)品Q2 產(chǎn)品Q3 原料單價/(元/kg) 原料可用量/kg
原料P1 ≥15% ≥20% 25% 1.7 1500
原料P2 ≥25% ≥10% 1.5 1000
原料P3 ≤40% 1.2 2000
單位產(chǎn)品的利潤/(元/kg) 2 3 2.3
(1) 問題分析。
合理配料問題是一個特殊的生產(chǎn)計劃,該問題與第一章中案例的生產(chǎn)計劃的不同之處在于產(chǎn)品對原料的消耗量不明確,只給了一個限制范圍,同時原料之間不發(fā)生化學反應,產(chǎn)品的產(chǎn)量等于原料之和。因而方案就不是只確定產(chǎn)品的產(chǎn)量,還需要明確生產(chǎn)不同產(chǎn)品原料的數(shù)量,設 為生產(chǎn)第 種飼料使用第 種原料的數(shù)量 ,則第 種飼料的產(chǎn)量為 ,第 種原料的使用量為 。
問題的目標是生產(chǎn)利潤最大化,而利潤等于銷售收入減去成本,銷售收入等于價格乘以產(chǎn)量,即 ,成本等于購買原料的支出,等于原料價格乘以原料需求數(shù)量,即 。所以總利潤為
問題的約束包括原料供給限制、產(chǎn)品規(guī)格限制和變量自身限制,其中原料供給限制要求原料的需求量小于等于最大供給量,即
產(chǎn)品的規(guī)格限制要求不同原料占總產(chǎn)量的比例符合要求,即
上述約束是分式約束,為了寫成線性規(guī)劃形式,轉(zhuǎn)化成以下等價形式,即
變量非負限制為
……