Podręcznik
Wersja podręcznika: 1.0
Data publikacji: 01.01.2022 r.
Wykłady
W1…WN, odpowiadające w sumie ok. 10-12 godz. standardowego wykładu
2. Modelowanie zależności
2.3. Funkcje kawałkami liniowe
Wiele rzeczywistych problemów wymaga użycia bardziej złożonych funkcji kosztów, niż tylko prostych liniowych współczynników. Funkcje kawałkami liniowe mogą być wtedy interpretowane jako przybliżenia zależności nieliniowych, np. kwadratowych, wykładniczych, logarytmicznych, i in. Ponadto, funkcje tego typu mają zastosowanie jako funkcje kary, umożliwiające pewne naruszanie tzw. miękkich ograniczeń.
W sytuacji, gdy funkcja kawałkami liniowa, którą chcemy użyć w zadaniu spełnia warunek ciągłości i wypukłości, to odpowiedni model optymalizacji może być formułowany jako zadanie PL.
Funkcja kawałkami liniowa składa się z liniowych odcinków, z których każdy można opisać odpowiednią funkcją liniową: , gdzie jest współczynnikiem nachylenia -tego odcinka, a jest współczynnikiem przesunięcia.
Przykładową funkcję kosztów produkcji, przybliżoną funkcją kawałkami liniową przedstawia poniższy rysunek.Zauważmy, że wypukłość funkcji powoduje, że prawdziwa jest zależność: , czyli przy minimalizacji kosztów mamy do czynienia z problemem typu minmax, który wyjaśniliśmy w poprzednim podrozdziale!
Stąd, stosując bezpośrednio technikę zamiany problemu minmax na zapis PL, możemy przedstawić odpowiedni zapis PL dla zadania, w którym występują funkcje kawałkami liniowe.
Minimalizacja funkcji kawałkami liniowej w zadaniu PL wymaga wprowadzenia dodatkowej zmiennej, symbolizującej wartość funkcji w konkretnym odcinku liniowym:
Zauważmy przy tym, że rozważana wcześniej funkcja wartości bezwzględnej jest, de facto, funkcją kawałkami liniową. To prowadzi do równoważnego sformułowania problemu z wartością bezwzględną.
Innym sposobem na zapisanie w sposób liniowy jest spostrzeżenie że:
czyli możemy zastąpić tą wartość nową zmienną , powiązaną z pierwotną zmienną ograniczeniami:
czyli możemy zastąpić tą wartość nową zmienną , powiązaną z pierwotną zmienną ograniczeniami:
W zależności od konkretnego problemu, może być bardziej wygodne użycie pierwszego (przedstawionego w poprzednim podrozdziale), lub drugiego sposobu na przedstawienie wartości bezwzględnej, co pokażemy w poniższym przykładzie.
Niepewność współczynników macierzy .
Załóżmy, że w zadaniu , współczynniki macierzy nie mogą być wyznaczone w sposób dokładny. Oznaczmy je jako , zatem problem ma postać:
Jeśli można przyjąć, że wartości współczynników mieszczą się w pewnym zakresie to , gdzie oraz .
Aby rozwiązanie PL spełniało ograniczenia w każdym przypadku, wystarczy jeśli spełni ograniczenia w najgorszym przypadku:
Czyli problem można sformułować jako:
Wtedy stosując metodę przedstawienia wartości bezwzględnej jako f. wypukłej , używamy teraz nowych zmiennych w początkowym ograniczeniu, dodając ograniczenia wiążące te zmienne z dla funkcji celu:
\begin{eqnarray} & &\sum_i a_ix_i- \sum_i\delta_i y_i \geq b, \\ &-y_i \leq & x_i\leq y_i,\\ & &y_i\geq 0. \end{eqnarray} Uwaga, często warto uwzględnić dodatkowo współczynnik tolerancji , pozwalający na nieznaczne naruszenie prawej strony ograniczeń: \begin{eqnarray} && \sum_i a_ix_i-\sum_i\delta_i y_i\geq b-\epsilon\max(1,|b|).\end{eqnarray}
Jeśli można przyjąć, że wartości współczynników mieszczą się w pewnym zakresie to , gdzie oraz .
Aby rozwiązanie PL spełniało ograniczenia w każdym przypadku, wystarczy jeśli spełni ograniczenia w najgorszym przypadku:
Czyli problem można sformułować jako:
Wtedy stosując metodę przedstawienia wartości bezwzględnej jako f. wypukłej , używamy teraz nowych zmiennych w początkowym ograniczeniu, dodając ograniczenia wiążące te zmienne z dla funkcji celu:
\begin{eqnarray} & &\sum_i a_ix_i- \sum_i\delta_i y_i \geq b, \\ &-y_i \leq & x_i\leq y_i,\\ & &y_i\geq 0. \end{eqnarray} Uwaga, często warto uwzględnić dodatkowo współczynnik tolerancji , pozwalający na nieznaczne naruszenie prawej strony ograniczeń: \begin{eqnarray} && \sum_i a_ix_i-\sum_i\delta_i y_i\geq b-\epsilon\max(1,|b|).\end{eqnarray}
Przyjmij, że firma ponosi stały koszt utrzymania magazynu, wynoszący , o ile jego pojemność jest wykorzystywana w nie więcej niż 80%. W sytuacji, gdy ilość przechowywanych towarów przekracza , ponoszone są dodatkowe koszty, rosnące wraz ze współczynnikiem za każdą nadmiarową jednostkę towaru. Przyjmując horyzont planowania lat, oraz wielkość zapotrzebowania w wysokości w każdym roku, zapisz w postaci PL problem wyznaczenia optymalnego planu zakupów towaru w każdym roku. Plan ten, przy znajomości cen zakupu , powinien minimalizować koszty magazynowania. Wskazówka - zauważ, że koszt magazynowania towaru można przedstawić w postaci funkcji, składającej się z dwóch liniowych kawałków.