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2010年上半年 上午试卷 综合知识
第 56 题
知识点 实际应用   线性规划  
关键词 函数   线性规划  
章/节 运筹方法(网络计划技术、线性规划、预测、决策、库存管理、模拟)  
 
 
线性规划问题就是面向实际应用,求解一组非负变量,使其满足给定的一组线性约束条件,并使某个线性目标函数达到极值。满足这些约束条件的非负变量组的集合称为可行解域。可行解域中使目标函数达到极值的解称为最优解。以下关于求解线性规划问题的叙述中,不正确的是(56)。
 
  A.  线性规划问题如果有最优解,则一定会在可行解域的某个顶点处达到
 
  B.  线性规划问题中如果再增加一个约束条件,则可行解域将缩小或不变
 
  C.  线性规划问题如果存在可行解,则一定有最优解
 
  D.  线性规划问题的最优解只可能是0个、1个或无穷多个
 
 




 
 
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知识点讲解
· 实际应用
· 线性规划
 
        实际应用
        在考试时,可能会出现一些需要综合应用的问题,需要考生根据基本的概念,结合实际问题进行解答。
        例如:在某并发系统中,有一个发送进程A、一个接收进程B、一个环形缓冲区BUFFER、信号量S1S2。发送进程不断地产生消息并写入缓冲区BUFFER,接收进程不断地从缓冲区BUFFER取消息。假设发送进程和接收进程可以并发地执行,那么,当缓冲区的容量为N时,如何使用P、V操作才能保证系统的正常工作。发送进程A和接收进程B的工作流程如下图所示。请在下图中的(1)~(4)处填写正确的操作。
        
        P、V操作实例一
        根据题意,很显然,这是一个“生产者-消费者”问题,根据该问题的特性,通常需要3个信号量来实现:两个用来管理缓冲区同步,信号量empty表示空闲缓冲区数量,初值为缓冲区最大数N,信号量full表示已填充缓冲区数量,初值为0;一个用于管理互斥,由信号量mutex保证只有一个进程在写缓冲区,初值为1。但在本题中,进程A和进程B允许并发地访问缓冲区,因此无须管理互斥,就不需要使用信号量mutex了。因此只需定义两个信号量:S1S2,初值为NS1在此承担的是信号量empty的功能,初值为0的S2在此则承担的是信号量full的功能。
        通过这样的分析,不难得出:(1)处应该是P(S1),将空闲缓冲区数量减1;(2)处应该是V(S2),将已填充的缓冲区数量加1;(3)处则是P(S2),(4)处为V(S1)。
        在这个例子的基础上,如果系统中有多个发送进程和接收进程,进程间的工作流程如下图所示,其中空(1)~(4)的内容与上图相同。发送进程产生消息并顺序地写入环形缓冲区BUFFER,接收者进程顺序地从BUFFER中取消息,且每条消息只能读取一次。为了保证进程间的正确通信,增加了信息量SASB。请说明信息量SASB的物理意义,在下图中的(5)和(6)处填入正确的内容,并从下图的(a)~(l)中选择四个位置正确地插入P(SA),V(SA),P(SB),V(SB)。
        下图所涉及的问题在普通的“生产者-消费者”问题上增加了一些复杂度:“系统中有多个发送进程和接收进程”,根据题意,我们可以得知它要完成的控制是:发送进程顺序写入,接收进程顺序读取,而且每条消息都只能够读取一次。这显然是两个互斥的问题,即多个发送进程在写缓冲区时是互斥关系,多个接收进程读缓冲区也是互斥关系。因此,信号量SASB分别实现这两个用来完成两个进程的互斥控制。
        (1)SA:初值为1,表示允许同时对缓冲区进行写操作的进程数量。
        (2)SB:初值为1,表示允许同时对缓冲区进行读操作的进程数量。
        当然,两个对调也是可以的。在发送进程和接收进程中分别有一组信号量SASB的P、V操作。因此,接下来的问题就是找出插入点。互斥控制的要点在于判断出临界区的范围,也就是哪部分程序必须互斥进入,否则将出现问题。根据这一点,我们可以进行如下分析。
        
        P、V操作实例二
        (1)发送进程:在进程产生消息之后准备写入缓冲区时,这时就需要进行互斥判断,因此在位置(b)应插入P(SA);而直到完成“i=(i+1)modN”操作后,才完成缓冲区操作,因此必须在位置(f)插入V(SA)。
        (2)接收进程:由于接收进程是负责读数据的,如果数据区是空的则应该等待,因此必须先完成P(S2)操作,来决定其是否需要阻塞。如果没有阻塞时,再进入临界区,因此应该在位置(h)处操作P(SB);而“对读取的消息进行处理”已显然在临界区之外,因此应该在位置(k)插入V(SB)。
 
        线性规划
        线性规划是研究在有限的资源条件下,如何有效地使用这些资源达到预定目标的数学方法。用数学的语言来说,也就是在一组约束条件下寻找目标函数的极值问题。
        求极大值(或极小值)的模型表达如下:
        
        其中,xi≥0,1≤in
        在上述条件下,求解x1x2,…,xn,使满足下列表达式的Z取极大值(或极小值):
        Z=c1x1+c2x2+…+cnxn
        解线性规划问题的方法有很多,最常用的有图解法和单纯形法。图解法简单直观,有助于了解线性规划问题求解的基本原理,下面,通过一个例子来说明图解法的应用。
        例题1某工厂在计划期内要安排生产I、II两种产品,已知生产单位产品所需的设备台时及A、B两种原料的消耗,如下表所示。
        
        产品与原料的关系
        该工厂每生产一件产品I可获利2元,每生产一件产品II可获利3元,问应该如何安排计划使该工厂获利最多?
        该问题可用以下数学模型来描述,设x1x2分别表示在计划期内产品I、II的产量,因为设备的有效台时是8,这是一个限制产量的条件,所以在确定产品I、II的产量时,要考虑不超过设备的有效台时数,即可用不等式表示为x1+2x2≤8
        同理,因原料A、B的限量,可以得到以下不等式
        4x1≤16,4x2≤12
        该工厂的目标是在不超过所有资源限制的条件下,如何确定产量x1x2以得到最大的利润。若用z表示利润,这时z=2x1+3x2。综上所述,该计划问题可用数学模型表示为:
        目标函数:
        maxz=2x1+3x2
        满足约束条件:
        x1+2x2≤8
        4x1≤16
        4x2≤12
        x1x2≥0
        在以x1x2为坐标轴的直角坐标系中,非负条件x1x2≥0是指第一象限。上述每个约束条件都代表一个半平面。如约束条件x1+2x2≤8是代表以直线x1+2x2=8为边界的左下方的半平面,若同时满足x1x2≥0,x1+2x2≤8,4x1≤16和4x2≤12的约束条件的点,必然落在由这3个半平面交成的区域内。由例题1的所有约束条件为半平面交成的区域如下图中的影部分所示。影区域中的每一个点(包括边界点)都是这个线性规划问题的解(称可行解),因而此区域是例1的线性规划问题的解的集合,称它为可行域。
        再分析目标函数z=x21+3x2,在坐标平面上,它可表示以z为参数,-2/3为斜率的一簇平行线:
        
        位于同一直线上的点,具有相同的目标函数值,因此称它为等值线。当z值由小变大时,直线沿其法线方向向右上方移动。当移动到Q2点时,使z值在可行域边界上实现最大化(如下图所示),这就得到了例1的最优解Q2Q2点的坐标为(4,2)。于是可计算出z=14。
        
        线性规划的图解法
        这说明该厂的最优生产计划方案是:生产4件产品I,2件产品II,可得最大利润为14元。
        例题1中求解得到的最优解是唯一的,但对一般线性规划问题,求解结果还可能出现以下几种情况:无穷多最优解(多重解),无界解(无最优解),无可行解。当求解结果出现后两种情况时,一般说明线性规划问题的数学模型有错误。无界解源于缺乏必要的约束条件,无可行解源于矛盾的约束条件。
        从图解法中直观地看到,当线性规划问题的可行域非空时,它是有界或无界多边形。若线性规划问题存在最优解,它一定能在可行域的某个顶点得到;若在两个顶点同时得到最优解,则它们连线上的任意一点都是最优解,即有无穷多最优解。
        图解法虽然直观,但当变量数多于3个以上时,它就无能为力了,这时需要使用单纯形法。
        单纯形法的基本思路是:根据问题的标准,从可行域中某个可行解(一个顶点)开始,转换到另一个可行解(顶点),并且使目标函数达到最大值时,问题就得到了最优解。限于篇幅,不再介绍单纯形法的详细求解过程。



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